国外船用锂离子动力电池冷却技术分析

刘 欢，宋 强，胡棋威

应用研究

国外船用锂离子动力电池冷却技术分析

刘 欢1，宋 强1，胡棋威2

（1. 92578部队，北京 100161；2. 武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064）

动力电池合理的冷却可以有效提高效率并延长其使用寿命。本文综述了锂离子动力电池冷却发展的关键技术，考察了国外多家船用电池冷却技术的优势和特点，着重梳理了船用锂离子动力电池冷却技术发展的当前动向，以期为船用锂电池热管理的实际应用提供一定的参考价值。

锂离子动力电池 电池冷却 船舶动力

0 引言

船舶电力推进领域用锂离子电池具有大能量密度与大功率密度的特点，锂离子电池成组使用时，结构紧凑，发热严重，进而导致电池组一致性变差、过热，甚至“热失控”[1]。因而，锂离子电池组冷却技术是保障锂离子电池成组后性能发挥与安全的关键技术。

DNV GL（挪威船级社）于2016年开始，逐步规范了适用于船舶的锂离子电池规范，已较为全面的规定了船用锂离子电池的安全性设计要求与检验方法。目前，多个电池系统集成商具备DNV GL认证的高安全性船用电池系统，船用锂离子电池组冷却多以传统风冷、液冷为主。

1 锂电池主要冷却技术

1.1 风冷技术

风冷技术使用空气作为冷却介质，通过直接对流换热降低电池组工作温度，再由外部冷源对升温后的热空气进行冷却。风冷结构相对简单、维护方便、研发及制造成本较低，但是缺点也很明显，空气比热容小，对流换热系数较液冷差距较大，所以风冷技术的冷却效率较低[2]。

Wang[3]对比用不同的风扇位置、电池间距和电池在风扇上的位置直接吹风冷却，认为采用顶部风扇，轴对称立方体布置，25节电池间距为1 mm，冷却效果较好。如不改变电池组整体布局，采用气流射流强化散热方案，并设计最优的送风模块结构气流组织形式，也可以满足电池组终温与电池模组温度的均匀性要求[4]。另外，往复式空气冷却系统通过调节电池组两侧的阀门，周期性地改变空气的流动，可减小空气流动造成的温度差并降低最高温度[5]。Lin[6]关注电池冷却表面的选择，当铝外壳厚度从0 mm变为1 mm时。可以增强冷却效果，电池温升降低67.5%。

1.2 液冷技术

液冷通常使用液体作为冷却介质，例如水、乙二醇、乙二醇混合溶液以及制冷剂等，液冷介质比热容大、换热系数高，但泵、管道以及冷端散热器的存在也降低了液冷系统的可靠性。液冷分为直接冷却和间接冷却，直接冷却方式是指将电池模块完全浸没在绝缘液体当中，例如通过将电池浸没在电介质流体中[7]，目前实际车船动力上应用较少，间接冷却方式是指在电池组之间设置冷却盘管或者液冷板。

冷却流道参数及流程布置对液冷换热效果有重要影响，冷却方式既要保证电池控制在适宜的温度范围内，又要保证电芯间温度差。借助 CFD 分析某新能源汽车电池组的液冷板换热效果，将液冷板内部格栅结构改进为板翅式结构，结果表明，虽然系统内流阻略有增大，但换热功率提高 11.36%[8]。针对液冷板提出4个设计方案，分析不同流道参数及流程布置对平均温度和温度均匀性的影响，试验结果表明，为满足液冷板流阻和表面温度均匀性要求，S型逆流流程布置在温度均匀性方面最优[9]。通过对某车用锂离子电池仿真计算认为，冷却通道入口存在明显的高速涡流，冷却液流动不均匀，电池组及电池单体的温度均匀性较差，对冷板结构进行优化后分析，发现冷却通道流场速度分布较均匀，进出口出现的高速涡流减弱，电池组的温差减小，电池组的温度一致性得到明显改善[10]。

1.3 热管冷却技术

热管是一种充入适当液体工质的密封空心管，通过液体的相变换热，热管可以在没有外部动力的情况下达到极高换热系数，并实现远距离快速冷却。具有结构紧凑、形状灵活、使用寿命长、维护费用低等优点[11]。相比于风冷及液冷，具有无外部耗功、高换热系数的优势。

电池用热管换热大多处于研究及试验阶段，多采用重力热管。对热管内部流动换热特性对热管整体结构进行优化，赵兰萍[12]对比了与圆孔平板热管和方形孔平板热管，认为方形孔平板热管可实现更高平均传质率，以及更更大的换热介质流速。Ren[13]提出一种新型的U型阵列微热管，不仅可以有效控制电池温升，还能保证电池良好的温度均匀性。Yuan[14]提出一种热管/冷板耦合结构HP-CP（heat pipe-cold plate），该结构使热管不直接浸没在冷却液中，实验研究表明，能够满足高放电功率下的冷却需求，当电池以2C速率放电时，在30℃环境温度和进水温度下，该冷却结构依然可以保持最高温和最大温差的要求。

1.4 相变材料冷却电池技术

相变材料基于相变吸热的原理，利用 PCM（相变材料）在低温状态下的熔化、升华过程以吸收电池放出的热量，降低电池箱体的温度。冷却效率介于空气冷却和液体冷却之间，相比风冷和液冷技术，相变材料冷却技术可以保证电池组的温度均匀，避免局部热点的出现，且不需要运动部件和消耗电池额外的能量。

Mousavi[15]设计一种新型冷板&混合微通道冷板，冷板内添加PCM（正二十烷），结果表明，恒定和脉冲加热条件下，电池方向对冷却性能有显著影响。在恒定发热条件下，电池最高温度的时间平均值与主动冷却相比，混合冷却系统减少了10.35 K。

相变材料相变潜热值大，可实现更多的换热，过冷现象不明显，相变温度范围大，但也存在相变材料导热系数小、封装困难和不能循环流动等缺点。所以，PCM技术用于动力电池的冷却，仍需要进一步研究[16]。

表1 不同热管理方式的比较[17]

2 国外船用锂离子电池应用及冷却方案

2.1 加拿大Corvus Energy

2.1.1第一代储能系统AT6500系列

AT6500系列是Corvus第一代储能系统，该系统采用Kokam三元NMC动力电池，电池系统储能1.5MWh，采用电池架结构形式，以阵列结构装载电池模块。

早期AT6500模块采用强制冷却进行模块冷却，后期Corvus增加液冷型AT6500模块，使最大可用输出功率增加2.5倍。AT6500模块重65 kg，尺寸为590×330×381（mm，LWH），重量能量密度接近100 Wh/kg，体积能量密度仅87.3 Wh/L。AT6500储能模块采用NMC三元电芯，但模块能量密度和LFP体系相当，可见船用电池系统为了保证系统安全性，会牺牲大量空间体积，来设置安全组件，保证热失控不传播。

2.1.2 Corvus Energy船用电池模块系列化产品

Corvus Energy对水下、水面领域的小型、中型、大型船舶全面覆盖。每种型号分功率应用和能量应用。Corvus系列化电池Pack参数汇总如表2所示。蓝鲸ESS针对大型船舶能量型应用，逆戟鲸（Orca）针对中型船舶功率型应用，海豚（Dolphin）针对小型船舶设计。

蓝鲸ESS针对大型船舶能量型应用，单电池系统储能规模达20～50 MWh，最大持续放电倍率0.5C，单电池系统储能规模可达50 MWh，最大持续倍率0.5C。采用了自然风冷技术，同时Corvus专利的电芯级热隔离技术，可保证在不依赖主动措施下阻止电池间热失控。

逆戟鲸（Orca）ESS具备大倍率输出能力，最大持续放电倍率3C，单电池系统储能规模可达10MWh。从2016年起。根据功率需求不同，分别采用了强制风冷和强制液冷两种冷却方式。

海豚（Dolphin）系列适用于小型船舶，均采用的强制风冷。E型（能量型）能量密度在Corvus系列中最高，达176Wh/kg，采用模块化设计，安装方式较为灵活，可适应对重量敏感的小型船舶独特电池舱室。P型（功率型）峰值倍率达6C，适用于速度较快的小型船舶。

表2 Corvus系列化电池Pack参数汇总

2.2 瑞典-德国Leclanché

Leclanché为目前世界上最大的纯电动渡船E-ferry供应了电池系统，E-ferry装载了4.3 MWh锂离子电池系统，充电功率为3.9 MW，推进功率为2× 750 kW。

Leclanché M2电池模块主体由32个电池单体、多个高分子材料电池框、铝导热板堆叠而成。利用铝导热板良好的导热性能和较大换热面积，电池单体热量由模块底部冷板通过液冷方式带走。

表3 E-ferry电池系统各级参数表

2.3 德国Akasol

德国Akasol公司有30年生产锂离子电池系统的经验，AKA System 15 OEM PRC锂离子电池系统，已装配在意大利Cerri Cantieri Navali（CCN）的混合动力超级游艇Vanadis上。

2.3.1 Akasol AKR电池系统

AKARACK 50PRC电池系统设计为机架结构，可装载12层电池包。每个电池包额定150 Ah，储能6.6 kWh，可选择采用铜管液冷结构或翅片风冷结构，对应电池包最大功率分别为10 kW和5 kW，壳体集成了隔热防护层。

2.3.2 AkasolOEM PRC电池系统

15 OEM 37 PRC电池包由15个电池模块串联组成，每个电池模块由12个37Ah三元材料方形电池串联组成。每个电池包储能25 kWh，平均电压661 V，最大持续放电功率50kW，重量238 kg，尺寸1700×700×150（L×W×H，mm）。电池包采用底部板式液冷结构，整体冷却电池组。电池包外壳采用不锈钢材料，集成了多层隔热防护层。

2.3.3 AkasolAKM POC电池系统

15 AKM 53 POC电池包由15个电池模块串联组成，每个电池包储能35.3 kWh，最大持续放电功率60 kW。电池包采用微流道冷板结构，通过模块级液冷方式冷却电池单体。电池包外壳采用不锈钢材料，集成了多层隔热防护层。

2.4 美国XALT

美国XALT Energy生产的三元软包锂离子电池，已广泛用于商用公交车和重型卡车。XRS-2是XPAND电池系统的机架结构。XRS-2采用液冷，机架上的主风道为每个模块分配冷却流体，液冷系统与热失控烟气排放通道集成设计，烟气排放通道在模块泄压口处形成密封结构，确保在极端情况下安全的排出烟气。

表4 Akasol系列化电池包参数统计表

XPAND电池模块由48个63 Ah三元软包电池2并24串组成，平均电压88.8V，储能11.1 kWh，尺寸为784×343.1×316（L×W×H，mm），重100.75 kg（含机架）。每个模块背部设置有两个烟气泄放接口，模块采用微流道冷板设置与两两电池单体之间，将电池热量疏导至外部主流道。

图1 XPAND电池系统与XRS-2机架结构

3 结果及分析

锂离子电池在船舶动力中的应用目前仍在起步阶段，传统的强制风冷、液冷依然是主流散热方式，在船用锂离子电池组上广泛使用。对比两种散热方式，风冷由于气体传热固有劣势，易存在散热不均的问题，冷却效果和温差的控制较难满足锂离子电池大规模成组要求，电池单体温度均一性难以得到保证，通过优化冷却流道设计和电池模块排列设计，可以有效增加冷却器与电池的接触面积，加大换热系数，从而减小电池体积。

液冷目前多采用间接接触式冷却，在冷却液与电池间插入一层具有高导热率的换热部件，通过换热部件传热进行冷却。该方式可根据实际情况调整换热部件的材质、形状、尺寸以及冷却液的种类，但是对管道的密封性要求较高，使得整个散热系统的结构比较复杂，维护不便，所以一般电池模块的防护等级需要高于风冷，并且需要额外消耗能量来推动冷却液循环。

针对船舶的使用环境，船舱温度通常在0～40℃，较为适宜，另外船舶空间通常可以满足大体积电池的安装要求，这些对于选择风冷具有一定实际适应性。对比国外的船用锂电池的冷却方式，体积比能和重量比能并不明显影响冷却方式的选择，合理的风冷设计可以有效达到换热要求，但当电池体积较小时，液冷更能实现温度的均一性，另外考虑到船舶使用条件下冷端换热时冷却水易得的现实条件，液冷换热在船舶体积较小，安装空间较为紧凑时，可以作为小体积锂电池冷却的首选。

4 结语

电池热管理系统的设计目标是可靠、安全、低能耗，以可控和稳定的方式对电池进行冷却。随着电池的能量密度逐渐增加。船舶实际用途、工作环境、不同系统的性能、经济特性等因素对未来电池热管理系统的发展更加重要。根据实际情况，可将相应BTMS开发成多个子热管理系统的集成，综合多种系统的特点，更好地将其推广到实际应用。就国外的船用现状来看，新型冷却技术并未应用于锂电池散热中，包括热管冷却、相变材料冷却以及基于热管和相变材料耦合冷却等，这些新型技术可以更好地保证电池组的温度均一性，并有效避免局部高温，新型冷却技术与传统冷却技术的耦合应用也是锂离子电池冷却技术发展的方向之一。

[1] 吴磊，黄昶春，韦志林．基于CAE技术的客车车身骨架结构分析及改进[J].客车技术与研究，2013，35(2):28-30．

[2] 赵冲，王有镗，郑斌，等. 新能源汽车动力电池冷却技术分析[J].内燃机与配件,2020(1)：192-193.

[3] Wang T, Tseng K J, Zhao J Y, et al. Thermal investigation of lithium-ion battery module with different cell arrangement structures and forced air–cooling strategies[J].Applied Energy,134 (2014) 229-238.

[4] 李志强,范晓伟,刘璐.动力锂电池组射流强化散热方法研究[J].电源技术,2018, 42(11): 1625-1628.

[5] 白帆飞, 宋文吉, 陈明彪, 等. 锂离子电池组热管理系统研究现状[J]. 电池, 2016, 46( 3) : 168-171.

[6] Lin L, Zhao Y H, Diao Y H , et al. Optimum cooling surface for prismatic lithium battery with metal shell based on anisotropic thermal conductivity and dimensions[J].Journal of Power Sources,506 (2021) 230182.

[7] Saw L, Ye Y, Tay A, et al. Computational fluid dynamic and thermal analysis of Lithium-ion battery pack with air cooling[J]. Applied Energy, 2016, 177(09):783-792.

[8] 尹振华,苏小平,王强. 新能源汽车电池组液冷板换热分析与结构优化[J].轻工学报, 2017，32( 4) : 93-99．

[9] 王晓斌,覃峰.电池液冷板设计及试验研究[J].制冷与空调, 2020, 20(5): 41-44.

[10] 李美静, 闫伟.某电动汽车用锂电池散热系统仿真分析与优化[J].内燃机与动力装置,2019,36(2):14-17,22

[11] Ye Y, Shi Y X, Saw L H,et al. Performance assessment and optimization of a heat pipe thermal management system for fast charging lithium ion battery packs[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer,2016,92:893-903.

[12] 赵兰萍，郑振鹏，郭本涛，杨志刚.结构因素对动力电池用多孔平板热管性能的影响[J].同济大学学报（自然科学版）,2020,48(4):559-565

[13] Ren R Y, Zhao Y H, Diao Y H , et al. Active air cooling thermal management system based on U-shaped micro heat pipe array for lithium-ion battery[J].Jounal of Power Sources, 507(2021)230314.

[14] XuezhenYuan,AikunTang,ChunxianShan,ZhaoyangLiu,JianmingLi.Experimental investigation on thermal performance of a battery liquid cooling structure coupled with heat pipe[J].Jounal of Energy Storage,32(2020)101984.

[15] SepehrMousavi,MajidSiavashi,Amirhosein Zadehkabir. A new design for hybrid cooling of Li-ion battery pack utilizing PCM and mini channel cold plates.Applied Thermal Engineering，197 (2021) 117398.

[16] 马先锋,邹得球,刘小诗,李乐园. 动力电池热管理用相变材料的研究进展[J]. 化工新型材料,2017.

[17] RAO Z H, WANG S F. A review of power battery thermal energy management[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2011,15(9):4554-4571.

Analysis on cooling technology of marine Lithium-ion battery

Liu Huan1, Song Qiang1, Hu Qiwei2

(1. Troop 92578 of the Chinese People’s Liberation Army, Beijing 100161, China; 2. Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)

TM912

A

1003-4862（2023）10-0018-05

2021-09-13

刘欢（1991-），女，工程师。研究方向：电池冷却。E-mail：liu_huan3@163.com.

宋强（1981-），男，工程师。研究方向：动力电池。E-mail：truman718@163.com